动力电池预充内电压采集电路设计注意事项分析

吕豆

江苏金彭集团车业有限公司  江苏 徐州市221000

摘要：随着全球新能源汽车产业的高速发展，动力电池是整车核心所在，直接关系到新能源汽车行驶安全以及行业发展。而电池管理系统是保障电池安全、稳定运行的核心，预充电路与电压采集电路是整个系统中基础保护、监控的主要系统，具有重要的价值与意义。根据案例实践，对新能源汽车动力电池系统的主要构成进行分析，了解预充电路与电压采集电路设计的主要原理，基于预充电路设计、电压采集的协同工作逻辑进行分析，探究了电压采集电路设计要点以及注意事项。旨在为新能源汽车动力电池系统的优化提供理论依据以及实践参考。

关键词：新能源汽车；动力电池；电池管理系统（BMS）；预充电路；电压采集；

新能源汽车在全球能源转型发展背景中高速发展，取得了显著的成效。而动力电池直接关系到车辆的续航里程、动力特征以及应用期限。另外，预充电压是高压系统安全管理的核心，电压采集电路则可以精确测量串联电池组每个电芯端的电压。电压数据的精确性是对电池荷电状态、健康状态以及稳定运行的基础。对此，在设计中将其作为整体，实现协同设计与优化分析，可以有效满足系统应用需求。

1.项目概述

项目为高电压平台应用的纯电动汽车电池系统开发，系统应用三元锂离子电芯，成组之后其总电压平台覆盖范围为400V~800V，其中电池包额定容量高于80kWh，可以满足高于500公里CLTC工况状态下的续航应用需求。而在电池包的内部中应用模块化设计方式，其主要是通过多个电池模组共同串联形成。此项目在设计中的主要目标为，保障高能量密度以及功率输出的状态下，有效实现最高的安全等级，以及超过8年的质保寿命。

2. 动力电池预充内电压采集电路设计要点

在此项目中要重点做好动力电池预充内电压采集电路设计分析，其主要设计要点以及关键内容如下：

2.1预充电路

预充电路的重点是一个预充电阻以及预充接触器共同构成，其与主正接触器进行并联。在应用中其上电逻辑为“首先要闭合预充接触器、主负接触器设备，在应用中主要就是通过预充电阻的方式对负载电容实现限流充电操作。而在母线的电压上升到接近电池总电压的时候，则判定其预充成功。系统则会闭合主正接触器，并且断开预充接触器等设备，完成高压上电操作的流程。

2.1.1预充电阻选型计算

阻值计算是平衡预充时间、冲击电流的重点。如果在设计中阻值过大则会导致预充时间过长，影响用户体验。而如果其阻值过小，则会导致冲击电流过大。在设计中，其理论最小值主要就是在系统允许的范围中，其最大的冲击电流决定。

2.1.2功率计算

电阻在预充中其消耗的能量就是电容存储的能量。但是因为系统为单词脉冲工作模式，必须要基于脉冲功率曲线对其进行分析，确定电阻脉冲耐受功率，并且稳态功率。因此，在处理中要保障电阻的脉冲功率-时间曲线可以充分覆盖在实际应用中的能量冲击。同时，要分析在最坏状态下出现的连续启停等不同的工况，根据实际状况计算平均功率，避免出现过热等问题。

2.1.3类型选择

常见的主要包括了有绕线、金属膜、氧化膜电阻等不同的类型。其中，绕线电阻脉冲具有较强的耐受能力，但是在应用中其存在寄生电感的特征。而金属膜与氧化膜电阻在应用中具有显著的无感特性，其主要在高频系统中应用。但是在存在EMC影响的环境中，必须要优先应用无感或者地感电阻类型。同时，预充接触器在应用中无需承载持续性的大电流，但是其触点的容量，必须要满足预充初始阶段中产生的限流后电流，在应用中必须要满足负载分断的需求。同时，线圈驱动电路要保障与BMS的低压电源进行有效隔离，并且要基于实际状况进行反向的电动势吸收处理。

另外，预充接触器的额定电流必须要保障其可以持续通过预充电流，在设计中要分析其分断中会出现的微小电弧问题。此项目中，应用线圈电压参数为12V/24V，应用触点容量≥50A的高压直流接触器设备，并且要设置辅助触点，根据实际状况分析其反馈状态。

最后，主正/主负接触器的额定电流要基于整车峰值功率对其进行计算，保障其具有高电压等级以及满足灭弧需求。驱动电路系统在设计中，其接触器中的线圈要为感性负载，其中驱动电路必须要进行集成管理。反向续流二极管要保障可以在吸收线圈断电的时候，产生一定的反向电动势，充分保护驱动MOSFET。同时，通过辅助触点以及电流检测等方式，保障接触器的实际状况符合要求。

2.1.4预充过程的监控与故障诊断

第一，预充超时故障诊断

BMS软件要基于实际状况合理设置预充计时器。如果在设定的时间中，其母线电压没有达到预设的阈值参数，则判断其出现了预充失败的问题，必须要即可断开接触器，并且根据操作流程进行故障上报处理。其出现的原因主要包括了预充电阻开路、预充接触器没有吸合以及其负载出现严重的短路问题等等。

第二，预充过快

母线电压瞬间达到了电池电压，则表明预充电阻出现了被短路的问题，或者主正接触器出现了误闭合等问题，必须要根据操作要求对其快速处理。

第三，电压阈值设定

预充电压阈值设定要符合要求。如果其出现过高等问题，则表明电池电压出现波动、采集误差等问题，会无法完成预充。而如果其设置过低，则会导致主正接触器闭合状态中还是出现显著的压差问题，这样则会导致出现电弧以及冲击等问题。

2.2电压采集电路设计与注意事项

电压采集电路系统在设计中，主要就是通过专业的电池监控芯片AFE系统、外围电路共同构成。在处理中其主要就是对每个电芯电压进行处理，将其转化为数字量，利用隔离通信的方式传递到BMS主控制器系统中。其主要注意事项为：

2.2.1采集精度与误差源综合控制

AFE新品选型核心指标就是对总测量误差进行分析。主要包括了偏移、增益以及噪声等多种误差问题。其在-40℃~85℃的宽温度范围中，其业界高标准AFE总误差必须要保持在±2mV的范围以内。其在选择中要重点分析内置的ADC类型，要保障其满足应用需求。在此项目中系统应用主控+多从板的分布架构模式，可以有效满足多级电芯的监控应用需求。其中AFE主要应用LTC6813或者同类高性能的芯片。其总测量误差 < 1.0mV。并且要基于标准测量串电芯系统，支持系统多片级联。另外，在系统应用中主要就是通过单对双绞线对其进行处理，有效满足高速、隔离的通信信息需求，继而减少线束数量并且可以有效增强整体的抗干扰性。最后，在内部设置专断系统，通过集成多种自检以及诊断功能，保障其符合功能应用以及安全性能需求。而AFE测量直接关系到整体的精度。基准电压以及其稳定性直接影响总体性能，因此，在设计中要保障基准电压引脚可以原理热源以及噪声源。

2.2.2精度保障设计与计算

第一，前端滤波电路设计。拓扑结构设计就是在每个电芯的电压采样输入终端系统中，设置RC低通滤波器。其可以有效抑制高频开关噪声等问题。

第二，误差分析与补偿处理

首先是偏置电流误差。在AFE系统中输入偏置电流参数，其流过滤波电阻的时候，会出现压降问题，此误差相对较小，可以忽略。其次，建立时间。一般滤波器时间常数的采样时间相对较高，在处理中要充分保障其信号稳定性，通过AFE可以有效满足应用需求。

2.3PCB布局与布线要求

2.3.1分区隔离

PCB要基于实际状况进行各个区域划分，将其划分为模拟区域以及数字区域。其中模拟区域主要包括了基准源、AFE芯片、采样RC滤波系统；而数字区域则包括了MCU以及通信收发器系统。在设计中，电源系统应用独立的LDO供电模式，并且在各个分区中合理设置隔离区域。

2.3.2采样走线

第一，等长与对称性处理。针对相同的AFE临近的采样线，则可以根据实际状况进行差分对布线设置，要充分保障其等长、等距，充分抑制共摸噪声的目的。第二，通过保护地环绕的方式进行处理，其敏感的采样线段要通过进行平面包围模拟，也可以在两侧的位置设置接地保护线。第三，在设计中要远离干燥源。采样线要禁止与CAN、PWM等高速开关信号线进行平行走线设置，在必要的时候要对其进行交叉处理，形成90°的角度。

2.4校准与温度补偿：

2.4.1出厂校准

在温箱系统中，可以设置0°C, 25°C, 50°C多个温度点，并且应用8位高精度数字万用表作为主要基准，通过对每个采集通道进行偏移、增益的校准分析。并且将校准系数输入到AFE系统中的EEPROM或者在BMS系统中主控的NVM中，根据操作要求对其进行分析。

2.4.2实时性补偿

BMS软件可以在获得AFE原始数值之后，通过校准系数以及温度补偿算法对其进行操作，获得最终的电压数值。

2.5功能安全与可靠性设计

2.5.1硬件冗余架构：

在每个电池模组系统中，合理设置两片相对独立的AFE系统，其中包括了主AFE以及冗余AFE，它通过独立采样网络系统、基准源以及相关系统进行处理，上报给BMS主控系统。在BMS主控系统中，可以实现对两组信息数据的交叉对比，如果发现其偏差高于限制，则会判定其中一个系统出效率故障印花阀体，并且可以采取保守值、请求限功率等安全措施对其进行优化处理。通过此种方式可以实现对ASIL-D单点故障的容错优化。

2.5.2多层次诊断机制

第一，采样先开路诊断。在AFE内部的集成中，形成微弱电流源。在此种诊断模式中，可以将电流源依次的连接到各个采样线系统中，如果其中某个采样线开始，则通过AFE测量获得的电压会拉倒满量程或者归零，继而被系统识别。

第二，内部自检。通过AFE系统实现定期的自检，利用MUX系统、ADC系统以及基准电压等系统实现自检操作，充分分析内部模块功能是否符合要求。

第三，数据合理性检查。布线要进行综合校验分析。SUM要与高压传感器获得的数值保持相同。其次，相关性检查。临近的电芯电压要在充放电中保障其相关性特征，如果出现异常突变则系统会显示指示故障。最后，通信校验。应用的通信保通过CRC对其进行校验分析，避免数据信息在传输中出现错误以及问题。

2.5.3保护电路

TVS二极管阵列主要就是在每个采样点以及电池包壳体之间利用并联的方式，连接双向的TVS管，同时保障其钳位电压高于电芯中的最高电压。利用此种方式可以充分吸收ESD以及浪涌能量，继而有效避免AFE系统输入引脚出现被过压击穿等问题。

3.综合分析

3.1设计成效分析

在此项目中，动力电池系统设计方案通过计算、选型以及架构设计，获得了显著的效果，其具体如表1所示。

3.1 设计成效分析（简要对比）

评估维度	关键指标	实现值
安全性	预充冲击电流	27.8A
	故障诊断覆盖率	> 99%
	电压采集架构	双AFE冗余
性能与精度	预充时间	243ms
	电压采集全温区误差	±1.8mV
可靠性	EMC辐射抗扰度	通过200V/m
	工作温度范围	-40℃ ~ 105℃

3.2 应用实践分析

此项目中的动力电池系统设计效果显著，与行业常规对比显著，其关键指标如表2所示。

评估维度	关键指标	成效结论
安全性	预充冲击电流27.8A	充分保护接触器与负载性能
	故障诊断覆盖率> 99%	符合ASIL-D等级要求
	电压采集架构为双AFE冗余	故障容错性能优异，可靠性显著
性能与精度	预充时间为243ms	快速安全
	电压采集全温区误差±1.8mV	可以支持高精度SOC估算分析
可靠性	EMC辐射抗扰度通过200V/m	抗干扰优异，系统鲁棒性相对较强
	工作温度范围为：-40℃ ~ 105℃	充分满足宽温阈多工况应用需求

由此可见，此设计方案安全性、精度以及可靠性符合要求，平台拓展潜力良好，可以有效满足应用需求。

结束语：

动力电池系统设计融合了电化学、电力电子以及嵌入式系统、功能安全等多种复杂系统工程。预充电路与电压采集电路的设计，直接影响了电池包的综合性能以及安全性。通过分析预充电阻与接触器的设计要点，实现协同设计，可以有效提高综合性能。今后，随着现代技术的不断发展，电池能量密度以及充电速度的要求也日益严格，对预充速度、电压采集系统提出了更为严苛的要求。因此，必须要深化对地层电路原理的分析，融合人工智能、电池状态算法、新材料与工艺手段，方可有效设计出更加安全、可靠以及高效的动力电池系统。

参考文献：

[1]李佳明. 增程式重卡的动力电池系统开发多目标优化[J].时代汽车,2025,(24):129-131.

[2]韩继伟. 新能源汽车动力电池性能优化研究[J].汽车知识,2025,25(12):36-38.

[3]谢建泉,谢一硕,刘剑,等. 新能源汽车动力电池热管理创新技术及多维度优化[J].汽车知识,2025,25(12):27-29.

[4]戚益炝.基于ISO26262安全需求的车用动力电池管理系统硬件开发[D].浙江大学,2024.

[5]刘金配,黄祖朋,邓海文,等. 电动汽车预充电电路设计研究[J].汽车实用技术,2021,46(10):14-16.

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